Propuesta de diseño de emisario submarino para la Ciudad de Manta, Ecuador

Abstract

[ES] La ciudad de Manta es una ciudad costera y está ubicada en la provincia de Manabí en Ecuador, posee alrededor de 250.000 habitantes y es una de las ciudades más importantes y con mayor turismo del país. Durante muchos años las playas de la ciudad de Manta han sufrido severos daños medio ambientales por las descargas de aguas residuales provenientes de las lagunas de oxidación y que son vertidas en las zonas de baño. Dichas lagunas poseen una capacidad hidráulica máxima proyectada a 25 años de 90.000 m3 /día, se configuran mediante 4 lagunas anaerobias, 4 lagunas facultativas y 4 lagunas de maduración. Para evitar las descargas directas a la línea de costa se ha diseñado un emisario submarino, que consiste en una conducción que transporta las aguas residuales parcialmente tratadas desde la zona de tratamiento hasta un punto mar adentro. Su diseño ha requerido de varios parámetros oceanográficos como batimetría, corrientes, mareas, coeficientes de autodepuración, perfiles de temperatura y salinidad. Además, de los resultados de la caracterización del efluente proveniente de las lagunas de oxidación donde se ha considerado el escenario de concentración más desfavorable y de esta manera se garantizó una dilución rápida, alta y suficiente para que la carga orgánica y contaminantes de las aguas residuales no provoquen daños al ecosistema y playas. Actualmente en Ecuador no existe normativa de diseño de emisarios submarinos, solamente se especifican límites máximos permisibles de distintos parámetros contaminantes para descargas mediante emisarios en cuerpos receptores marinos, por lo que se decidió considerar para este caso de estudio la normativa vigente en España que se encuentra en el Boletín Oficial del Estado del año 1993 porque propone una metodología completa del diseño de un emisario submarino bajo varias situaciones. El BOE 1993 presenta un método de cálculo analítico que permite determinar la longitud del emisario y del tramo difusor, la profundidad de vertido, diámetro, separación entre difusores, número de los difusores y la comprobación de los objetivos de calidad. A más del diseño analítico, se ha diseñado el emisario submarino bajo un método de cálculo numérico utilizando el software Visual Plumes desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) donde se ha simulado la configuración de emisario submarino obtenido con el método del BOE1993 para comparar los resultados de dilución inicial en el campo cercano y en las concentraciones de coliformes fecales en los límites de las zonas de baño. De las soluciones estudiadas se propone finalmente un emisario submarino de material PEAD de una longitud de 1560m de longitud que posee un tramo difusor de 15 difusores de 15cm de diámetro y que están separados cada 15m. La descarga del emisario submarino está ubicada a una cota de - 35.9m de profundidad respecto al nivel de bajamar, donde se garantiza una dilución inicial correcta y un decaimiento bacteriano adecuado que permite obtener concentraciones de coliformes fecales inferiores a lo que la normativa exige. Posterior a la comprobación de los objetivos de calidad se determinaron las pérdidas de cargas del tramo difusor por las derivaciones, cambios de densidad, válvulas y difusores existentes. Conocidas las pérdidas y las dimensiones del emisario se utilizó la herramienta de cálculo hidráulico Epanet donde se obtuvieron los valores correspondientes de caudales y presiones. Se verificó que las velocidades sean superiores a un valor de 0.6m/s para evitar sedimentabilidad. Una vez definido el tramo difusor se establecieron las propiedades físicas de la conducción, como el espesor y tipo de material. El modelo permitió determinar la curva resistente del sistema y observar que existe el requerimiento de una estación de bombeo. Debido a que existía necesidad de bombeo se realizó un prediseño de una cámara de aspiración a la cual llega por gravedad el efluente tratado de las lagunas de oxidación que posteriormente es bombeado. El diseño de este tramo por gravedad se diseñó manteniendo una pendiente mínima y comprobando la fuerza tractiva para evitar sedimentación de partículas. La conducción del emisario submarino se evaluó en régimen transitorio ya que, el golpe de ariete es una de las principales causas de fallo en los sistemas hidráulicos. El régimen transitorio se estudió con el software Allievi, ya que permite simular los transitorios hidráulicos en sistemas a presión y así definir los elementos de protección de la conducción. Para solucionar los problemas de sobrepresión y depresión existentes en la conducción se optó por implementar ventosas y realizar arranques sucesivos del sistema de bombeo.

[EN] The city of Manta is a coastal city and is located in the province of Manabí in Ecuador, it has around 250,000 inhabitants and is one of the most important and most visited cities in the country. For many years, the beaches of the city of Manta have suffered severe environmental damage due to wastewater discharges from oxidation ponds and which are discharged into bathing areas. These lagoons have a maximum hydraulic capacity projected at 25 years of 90,000 m3 / day, they are configured by means of 4 anaerobic lagoons, 4 facultative lagoons and 4 maturation lagoons. To avoid direct discharges to the coastline, an underwater outfall has been designed, which consists of a pipeline that transports partially treated wastewater from the treatment area to an offshore point. Its design has required various oceanographic parameters such as bathymetry, currents, tides, selfpurification coefficients, temperature and salinity profiles. In addition, from the results of the characterization of the effluent from the oxidation ponds where the most unfavorable concentration scenario has been considered and in this way a rapid, high and sufficient dilution was guaranteed so that the organic load and pollutants of the wastewater do not cause damage to the ecosystem and beaches. Currently in Ecuador there are no regulations for the design of submarine outfalls, only maximum permissible limits of different pollutant parameters are specified for discharges through outfalls in marine receiving bodies, so it was decided to consider the regulations in force in Spain for this case study. in the Official State Gazette of 1993 because it proposes a complete methodology for the design of an underwater outfall under various situations. The BOE 1993 presents an analytical calculation method that allows determining the length of the outfall and the diffuser section, the depth of discharge, diameter, separation between diffusers, number of diffusers and the verification of quality objectives. In addition to the analytical design, the submarine outfall has been designed under a numerical calculation method using Visual Plumes software developed by the United States Environmental Protection Agency (EPA) where the underwater outfall configuration obtained with the method has been simulated of BOE1993 to compare the results of initial dilution in the near field and in the concentrations of faecal coliforms in the limits of the bathing areas. Of the solutions studied, a submarine outfall pipe made of HDPE material of a length of 1560m in length is proposed, which has a diffuser section of 15 diffusers 15cm in diameter and that are separated every 15m. The discharge of the submarine outfall is located at a level of -35.9m depth with respect to the low-water level, where a correct initial dilution and an adequate bacterial decay are guaranteed, which allows obtaining fecal coliform concentrations lower than what the regulations require. After checking the quality objectives, the pressure losses of the diffuser section were determined by the existing branches, density changes, valves and diffusers. Once the losses and the dimensions of the outfall were known, the hydraulic calculation tool Epanet was used, where the corresponding values of velocity, flow rates and pressures were obtained, verifying that the velocities are greater than a value of 0.6m / s to avoid sedimentability. Once the diffuser section was defined, the physical properties of the conduction were established, such as the thickness and type of material. The model allowed determining the resistant curve of the system and observing that there is a requirement for a pumping station. Due to the fact that there was a need for pumping, a pre-design of a suction chamber was carried out, to which the treated effluent from the oxidation ponds arrives by gravity, which is subsequently pumped. The design of this section by gravity was designed maintaining a minimum slope and checking the tractive force to avoid sedimentation of particles. The conduction of the submarine outfall was evaluated as a transitory regime, as water hammer is one of the main causes of failure in hydraulic systems. The transitional regime was studied with the Allievi software, since it allows simulating the hydraulic transients in pressure systems and thus defining the elements of conduction protection. To solve the problems of overpressure and depression existing in the conduction, it was decided to implement suction cups and carry out successive starts of the pumping system.

[CA] La ciutat de Manta és una ciutat costanera i està situada a la província de *Manabí a l'Equador, posseeix al voltant de 250.000 habitants i és una de les ciutats més importants i amb major turisme del país. Durant molts anys les platges de la ciutat de Manta han patit severs danys mig ambientals per les descàrregues d'aigües residuals provinents de les llacunes d'oxidació i que són abocades en les zones de bany. Aquestes llacunes posseeixen una capacitat hidràulica màxima projectada a 25 anys de 90.000 m³/dia, es configuren mitjançant 4 llacunes anaeròbies, 4 llacunes facultatives i 4 llacunes de maduració. Per a evitar les descàrregues directes a la línia de costa s'ha dissenyat un emissari submarí, que consisteix en una conducció que transporta les aigües residuals parcialment tractades des de la zona de tractament fins a un punt mar endins. El seu disseny ha requerit de diversos paràmetres oceanogràfics com *batimetría, corrents, marees, coeficients d'autodepuració, perfils de temperatura i salinitat. A més, dels resultats de la caracterització de l'efluent provinent de les llacunes d'oxidació on s'ha considerat l'escenari de concentració més desfavorable i d'aquesta manera es va garantir una dilució ràpida, alta i suficient perquè la càrrega orgànica i contaminants de les aigües residuals no provoquen danys a l'ecosistema i platges. Actualment a l'Equador no existeix normativa de disseny d'emissaris submarins, solament s'especifiquen límits màxims permissibles de diferents paràmetres contaminants per a descàrregues mitjançant emissaris en cossos receptors marins, per la qual cosa es va decidir considerar per a aquest cas d'estudi la normativa vigent a Espanya que es troba en el Boletín Oficial del Estado de l'any 1993 perquè proposa una metodologia completa del disseny d'un emissari submarí sota diverses situacions. El BOE 1993 presenta un mètode de càlcul analític que permet determinar la longitud de l'emissari i del tram difusor, la profunditat d'abocament, diàmetre, separació entre difusors, número dels difusors i la comprovació dels objectius de qualitat. A més del disseny analític, s'ha dissenyat l'emissari submarí sota un mètode de càlcul numèric utilitzant el programari Visual *Plumes desenvolupat per l'Agència de Protecció Ambiental dels Estats Units (*EPA) on s'ha simulat la configuració d'emissari submarí obtingut amb el mètode del BOE1993 per a comparar els resultats de dilució inicial en el camp pròxim i en les concentracions de coliformes fecals en els límits de les zones de bany. De les solucions estudiades es proposa finalment un emissari submarí de material *PEAD d'una longitud de 1560m de longitud que posseeix un tram difusor de 15 difusors de 15cm de diàmetre i que estan separats cada 15m. La descàrrega de l'emissari submarí està situada a una cota de -35.9m de profunditat respecte al nivell de baixamar, on es garanteix una dilució inicial correcta i un decaïment bacterià adequat que permet obtindre concentracions de coliformes fecals inferiors al que la normativa exigeix. Posterior a la comprovació dels objectius de qualitat es van determinar les pèrdues de càrregues del tram difusor per les derivacions, canvis de densitat, vàlvules i difusors existents. Conegudes les pèrdues i les dimensions de l'emissari es va utilitzar l'eina de càlcul hidràulic *Epanet on es van obtindre els valors corresponents de velocitat, cabals i pressions, verificant que les velocitats siguen superiors a un valor de 0.6m/s per a evitar *sedimentabilidad. Una vegada definit el tram difusor es van establir les propietats físiques de la conducció, com la grossària i tipus de material. El model va permetre determinar la corba resistent del sistema i observar que existeix el requeriment d'una estació de bombament. Pel fet que existia necessitat de bombament es va realitzar un predisseny d'una cambra d'aspiració a la qual arriba per gravetat l'efluent tractat de les llacunes d'oxidació que posteriorment és bombat. El disseny d'aquest tram per gravetat es va dissenyar mantenint un pendent mínim i comprovant la força tractiva per a evitar sedimentació de partícules. La conducció de l'emissari submarí es va avaluar règim transitori ja que, el colp d'ariet és una de les principals causes de fallada en els sistemes hidràulics. El règim transitori es va estudiar amb el programari *Allievi, ja que permet simular els transitoris hidràulics en sistemes a pressió i així definir els elements de protecció de la conducció. Per a solucionar els problemes de sobrepressió i depressió existents en la conducció es va optar per implementar ventoses i realitzar arrencades successives del sistema de bombament.